Приветствую вас мои космические друзья!
Сегодня я расскажу вам об одном интересном проекте, многоразовой одноступенчатой ракеты, исследование которого проводилось компанией Douglas, в далеком 1962 году.
Исследование компании Douglas Aircraft Company, по многоразовому одноступенчатому орбитальному космическому грузовику (Reusable One-stage Orbital Space Truck - ROOST) преследовало несколько целей. С одной стороны, это исследование стремилось подробно описать новую одноступенчатую многоразовую космическую систему для транспортировки грузов и экипажей на низкую околоземную орбиту и обратно, которая была бы технически осуществима в рамках прогнозируемых технологий середины 1960-х годов. С другой стороны, это исследование рассматривало сложный вопрос о том - может ли относительно простая многоразовая космическая система быть экономически выгодной? Вопрос, который был сформулирован в отчете компании за декабрь 1962 года звучал так - «Действительно ли выгодно возвращать ускорители?»
Ведущим автором исследования космической системы ROOST, которое было выполнено с использованием средств компании (то есть не по контракту с НАСА или любой другой государственной организацией), был Филип Боно.
Филип Боно родился в 1921 году в Бруклине, Нью-Йорк. Он получил степень бакалавра инженерии в Университете Южной Калифорнии в 1947 году.
В 1940-х и 1950-х годах Боно последовательно работал в таких компаниях как North American Aviation, Douglas Aircraft Company, Northrop Corporation и Boeing Airplane Company. Работая в компании Boeing в 1960 году, он предложил новый план пилотируемого космического корабля для миссии на Марс на основе конструкции орбитального самолета X-20A Dyna-Soar.
Вскоре после этого он вернулся в компанию Douglas, где стал главным инженером по перспективным проектам в подразделении ракетных и космических систем компании. Начиная с проекта ракеты ROOST, Боно стал широко известен как инженер, который планомерно продвигал идеи многоразовых, одноступенчатых ракет-носителей.
Боно и его соавторы - Ф. Бергонц и Джон Хейс, представляли ракету ROOST, как носитель высотой более 83,2 метров с максимальным диаметром 18,9 метров. Перед стартом одноступенчатая ракета должна была иметь массу 4400 тонн, что было на 1500 тонн больше, чем стартовая масса трехступенчатой ракеты «Сатурн-5». Она должна была быть способна доставить полезную нагрузку массой 145,2 тонны на орбиту высотой в 555,6 километров.
Группа исследователей под руководством Боно заявила что - «размеры ракеты ROOST исключают возможность использования любых видов транспорта, кроме водного». Таким образом, морские суда должны будут доставлять узлы носителя ROOST на прибрежный сборочный, пусковой и ремонтный объект, который станет базой для исследований и разработок ракеты ROOST, и запланированных полетов, в рамках программы охватывающей период в 14 лет.
Узлы ракеты-носителя должны были включать в себя расширяющуюся юбку высотой 12,5 метров, образующую основание ускорителя; стопку из 10 цилиндрических секций баков, диаметром 15,2 метра, и сужающуюся переходную секцию высотой 10,7 метров - образующую верх ракеты-носителя. Узлы должны были прибывать в большой защищенный приемный док, открывающийся в океан, который должен был быть связан через главный канал со сборочным зданием, состоящий из двух отсеков А-образной формы высотой 122 метра. В сборочном здании узлы ракеты вместе с полезной нагрузкой должны были быть установлены вертикально, и соединены вместе на специализированной квадратной барже, которая должна будет выполнять функцию стартовой площадки.
Главный канал должен будет проходить мимо так зазываемых «парковочных зон» для барж, предназначенных для перевозки резервуаров с криогенным жидким водородом и жидким кислородом, которые должны были использоваться в качестве ракетного топлива. Затем канал должен был разветвляться на три более коротких канала, каждый из которых заканчивался стартовым комплексом.
После сборки новый ускоритель ROOST на своей барже - пусковой площадке, должен будет перемещен обычными буксирами на стартовый комплекс. Каждый комплекс должен был включать в себя: большие шлюзовые ворота, насосную станцию, и секцию бассейна которая содержала прочные бетонные опоры и два дефлектора для отвода выхлопных газов ракетных двигателей.
Перед прибытием ракеты-носителя ROOST, бассейн стартового комплекса будет затоплен водой, а шлюзовые ворота открыты. После того, как плавучая баржа-пусковая площадка с ускорителем ROOST будет размещена над бетонными опорами, шлюзовые ворота будут закрыты, а вода откачана, что позволит площадке осесть на опоры и взять на себя роль стартовой площадки.
Ракета-носитель ROOST будет размещена в центре баржи-стартовой площадки. Отверстие в центре позволит выхлопным газам из 12 главных двигателей ракеты-носителя (каждый из которых должен был способен производить 454 тонн тяги на уровне моря), достигнуть двух дефлекторов выхлопных газов.
Места стоянки барж-заправщиков топлива будут примыкать к насосным станциям рядом с главным каналом. По мере приближения времени предстартовой проверки и запуска, насосы начнут закачивать жидкий кислород и жидкий водород в баки ускорителя ROOST.
Ракета-носитель ROOST должна была израсходовать в общей сложности 3 889 тонн топлива во время своего подъема на орбиту, который длился около 5 минут.
Когда обратный отсчет перед стартом должен был достигнуть нуля, одновременно запускались 12 двигателей ракеты. Затем должен был последовать короткий период удержания ракеты, в течение которого должны были проверяться характеристики двигателей. Если какой-либо из главных двигателей не будет работать так как ожидалось, все двигатели будут выключены. Однако, если все 12 двигателей будут работать так как планировалось, удерживающие приспособления будут отпущены, и ракета-носитель ROOST с грохотом оторвется от стартовой площадки.
После вертикального подъема, длящегося 14 секунд, ускоритель ROOST будет поворачивать свои двигатели на 6°, чтобы наклониться на восток к морю. Он столкнется с максимальным аэродинамическим сопротивлением на высоте 12,5 километров. Ускорение будет увеличиваться по мере того, как одноступенчатая ракета будет расходовать свое топливо, достигнув через 216 секунд уровня в 6 G, то есть шестикратной силы тяжести на поверхности Земли. Затем половина основных двигателей отключится, чтобы поддерживать ускорение в допустимых пределах для комфорта астронавтов во время пилотируемой миссии.
Во время запуска экипажа, башня системы аварийного спасения, похожая на ту, что была наверху капсулы «Меркурий», должна была находиться в режиме ожидания до выхода космического корабля орбиту. Аварийное спасение экипажа после запуска с последующим баллистическим входом в атмосферу и приводнением в океане, было возможно до последней стадии подъема на орбиту. Однако Боно и его коллеги подчеркнули, что их ускоритель должен был быть многоразового использования, поэтому предоставили мало информации о конструкции системы аварийного спасения космического корабля с экипажем.
Шесть главных двигателей продолжат работать еще 76 секунд, в течение которых ускорение достигнет максимума в 6,7 G.
Выключение двигателей должно было произойти на высоте 78 километров, при этом ракета ROOST будет двигаться со скоростью 8016 метров в секунду, что было достаточно для того, чтобы она достигла апогея высотой 555,6 километра, примерно через 30 минут после старта. Во время движения по инерции башня системы аварийного спасения должна была отделится от космического корабля с экипажем (если таковой будет).
При выключении основного двигателя ракета ROOST и ее полезная нагрузка будут иметь массу 465,5 тонн. Основные двигатели носителя не будут запускаться до следующего взлета с морской базы.
Боно и его соавторы считали, что главные двигатели были ключевым фактором в заявке ракеты ROOST на экономичность и повторное использование. Они сослались на мнение неназванного производителя ракетных двигателей, когда заявили, что замена никелевых охлаждающих трубок, трубками из нержавеющей стали сама по себе продлит срок службы главных двигателей ROOST до 4000 секунд. Они подсчитали, что каждый главный двигатель может выполнить от 13 до 18 полетов, прежде чем потребуется его капитальный ремонт. Капитальный ремонт обойдется в 40% — 50% от первоначальной стоимости двигателя.
Ракета-носитель ROOST должна была включать 16 вторичных двигателя расположенных около широкого нижнего конца конической переходной секции. Боно и его соавторы назвали их «крестообразными двигателями». Во время подъема они будут защищены от аэродинамического нагрева сбрасываемыми кожухами.
Двигатели должны были работать на гиперголическом (воспламеняющемся при контакте) топливе. Половина из 16 вторичных двигателей могла выйти из строя без ухудшения производительности во время семи последовательных маневров, которые было необходимо выполнить во время каждого полета носителя ROOST.
Вторичные двигатели будут использоваться для обеспечения управления ориентацией во время полета до достижения апогея, затем четыре вторичных двигателя, обращенных назад, будут включаться и работать в течение восьми минут, чтобы скруглить орбиту.
Затем четыре вторичных двигателя, обращенных вперед, зажгутся, чтобы слегка затормозить ускоритель, чтобы облегчить отделение полезной нагрузки массой 163,3 тонны и осадить 28,1 тонну жидкого кислорода в основной двигательной системе, чтобы его можно было сбросить за борт. Затем ускоритель ROOST будет летать по своей орбите, пока не придет время забрать полезную нагрузку массой 13,6 тонн для возвращения на Землю.
Полезной нагрузкой для возврата на Землю могла быть 12-местная пилотируемая капсула. Вторичные двигатели должны были стабилизировать носитель ROOST на орбите, чтобы капсула могла безопасно состыковаться с переходной секцией, заменяя полезную нагрузку, доставленную на орбиту.
С начала орбитального полета и до встречи и стыковки с возвращаемым на Землю грузом, ускоритель ROOST должен будет постепенно раскрывать и надувать так называемую систему входа и возвращения в атмосферу, массой 48,5 тонн. Она должна была иметь форму тупого конуса, и в полностью надутом состоянии имела высоту 68,9 м и ширину 99 метров.
Верхняя часть конуса должна была быть изготовлена из относительно хрупких материалов — листов дакрона, склеенных вместе силиконовым герметиком. Пара несущих мембран должна была поддерживать массу ускорителя ROOST во время его входа в атмосферу, в то время как тороидальная структура с общим объемом в 226 535 кубических метров, окружающая среднюю часть ускорителя ROOST, позволяла сохранить общую форму системы входа в атмосферу.
Боно и его соавторы отметили, что количество газа в торе будет эквивалентно количеству газа в двух заполненных гелием дирижаблях класса Akron, которые использовались в качестве летающих авианосцев ВМС США в 1930-х годах.
Нижняя часть конуса, которая при спуске будет подвергаться наибольшему аэродинамическому нагреву, должна была состоять из сплава Rene 41 или проволочной ткани из нержавеющей стали, покрытой силиконовым герметиком.
Две дугообразные секции нижней юбки, окружающие основные двигатели, отделялись, обнажив упакованную верхнюю часть конуса. Тепловое излучение Солнца и Земли должно было нагреть жидкий водород, оставшийся в топливном баке после работы основных двигателей, заставив его превратиться в газ. В многоразовом ускорителе ROOST газ будет подаваться по трубам в верхнюю часть конуса, чтобы медленно надуть его перед входом в атмосферу. Постепенное надувание, как объяснили инженеры компании Douglas, поможет предотвратить чрезмерный раздув и взрыв верхней части аэродинамического конуса.
Нижняя часть конуса, тем временем, будет развертываться из цилиндрического контейнера. Газообразный гелий, отбираемый из восьми сферических баков, установленных внутри бака с жидким водородом - будет использоваться для надувания нижней части конуса.
Боно и его соавторы объяснили, что ракета-носитель ROOST будет пролетать над своей морской базой каждые 12 часов. Таким образом, они спроектировали ракету-носитель которая могла находится на орбите в течении 24 часов, чтобы обеспечить возможность двух посадок в зоне приземления. Зона приземления должна была иметь диаметр 85,2 километра, и находится на расстоянии 93 километров от приемного дока базы ракет ROOST. Среди других факторов, определяющих орбитальный срок службы носителя, был ущерб, который, как ожидалось, мог быть нанесен ударами микрометеоритов.
Возвращение на Землю начнется с маневра схода с орбиты, в ходе которого четыре вторичных двигателя, будут работать в течение почти четырех минут, чтобы снизить орбитальную скорость ускорителя ROOST на 152 метра в секунду. Затем вторичные двигатели должны были выполнить маневры по управлению ориентацией так, чтобы к началу входа носителя в атмосферу на высоте 122 километров, ускоритель ROOST был бы ориентирован под углом входа на 1,5°. Этот угол должен был минимизировать аэродинамический нагрев конуса, обеспечивая при этом управление, достаточное для обеспечения посадки в назначенной зоне.
На высоте в 72 километра, через 250 секунд после начала входа в атмосферу, ускоритель ROOST должен был испытать замедление в 3,4 G. К этому времени температура, на нижней части аэродинамического конуса, будет снижаться достигнув пикового значения в 827 °C. Максимальная перегрузка равная 6,75 G произойдет через 300 секунд после начала входа в атмосферу на высоте в 91 километр, к этому моменту носитель ROOST замедлится до скорости 11,8 Маха.
Боно и соавторы стремились сделать надуваемый конус летучим в атмосфере, подобно дирижаблю, прежде чем он достигнет поверхности океана. Чтобы достичь этого, начиная с высоты 30,5 километров, жидкий кислород из специального небольшого нагревательного бака, расположенного внутри топливного бака, и водород из специального резервуара будут подаваться в камеру сгорания и воспламеняться. Затем горячие продукты сгорания будут подаваться в конус, чтобы повысить его внутреннюю температуру, тем самым увеличивая его «летучесть».
На высоте в 610 метров над океаном, при внутренней температуре верхней части конуса в 204° C, ускоритель ROOST замедлится до полной остановки, и поток нагретого газа прекратится. Затем газ в верхней части конуса будет остывать, и ускоритель ROOST начнет спуск к поверхности океана, который продлится около 16 минут, с конечной скоростью приводнения всего в 0,76 метров в секунду. Относительно жесткая нижняя часть аэродинамического конуса и низкая скорость приводнения предотвратят контакт соленой воды с прочной конструкцией ускорителя ROOST и, особенно, с его главными двигателями, что поможет обеспечить их быстрый и дешевый ремонт, перед следующим полетом.
Во время своего медленного финального спуска ускоритель ROOST автоматически развернет несколько морских якорей и буксировочных тросов. При контакте с водой они рассеют статический заряд, накопленный во время входа в атмосферу, и создадут сопротивление, помогая предотвратить отталкивание плавающего ускорителя от поверхности воды.
Тем временем, силы спасения выдвинутся к месту приводнения, чтобы перехватить возвращающийся носитель ROOST. Они будут включать модифицированный эсминец или корабль сопровождения, грузовой самолет C-47 и три вертолета H-21. Во время ночных посадок радиолокационное слежение и радиомаяк на ракете ROOST будут направлять силы спасения, а во время дневных посадок зону приземления будут патрулировать вертолеты чтобы визуально обнаружить возвращающийся ускоритель.
Матросы на спасательном судне должны будут взять на борт буксировочные тросы и прикрепить их к лебедке. Если на борту ROOST будут находится астронавты, спасательный вертолет зависнет над капсулой с экипажем и опустит специальную корзину, чтобы поднять экипаж на борт и доставить на судно спасения. Затем морские якоря будут убраны, и спасательное судно начнет буксировку носителя, со скоростью около 10 узлов, к приемному доку базы. В зависимости от точки приземления и умеренной скорости ожидаемого дрейфа расстояние буксировки могло составить от 50 до 135 километров.
По прибытии в приемный док буксирные тросы будут переданы на ожидающую носитель баржу-пусковую площадку. Затем будет задействован специальный шланг, для перекачки горячего пара и газообразного водорода из блока сгорания ракеты в верхнюю часть аэродинамического конуса для восстановления его «летучести».
С ускорителя ROOST, который будет парить над водой, техники должны были снять нижнюю часть конуса, и откачать из него гелий для повторного использования. Снятие нижней части конуса обнажит расширяющееся основание ускорителя и 12 основных двигателей.
Затем техники должны были прикрепить основание парящего ускорителя ROOST к удерживающим приспособлениям на барже-пусковой площадке, стараясь двигаться медленно, чтобы не повредить его. После того, как ускоритель будет надежно закреплен, техники отсоединяли верхнюю часть конуса от ускорителя, позволив ему подняться над корпусом носителя.
После того, как верхняя часть конуса освободится от ускорителя, техники должны были опустить его на баржу, и присоединить шланги для удаления водорода. Затем баржа-стартовая площадка должна была переместить носитель ROOST и компоненты его системы по главному каналу в сборочное здание для ремонта перед следующим запуском.
Хотя Боно и его соавторы заявили, что носитель ROOST слишком велик, и поэтому мог транспортироваться только по воде, ближе к концу своего отчета они предположили, что после того, как будет продемонстрирована эксплуатационная надежность, сборка, запуск, посадка и ремонт носителя ROOST на наземной базе могут стать возможными. Они предложили в качестве возможного места размещения носителя - открытые пространства авиабазы Эдвардс к северу от Лос-Анджелеса.
Затем Боно и его соавторы представили подробности 14-летнего графика программы ROOST, в рамках их попытки оценить надежность системы и затраты на производство, эксплуатацию и восстановление носителя. Они объяснили, что четыре года будут потрачены на проектирование, разработку и тестирование носителя ROOST, а первый ускоритель прибудет на морскую стартовую базу в середине третьего года. После сборки и передачи на стартовый комплекс будет проведено статическое испытание двигателей.
Первый испытательный полет на орбиту должен был состоятся в середине четвертого года. При условии успешного первого испытательного полета, запущенный ускоритель должен будет отремонтирован и запущен во второй испытательный полет до конца года. Если первый испытательный полет закончится потерей носителя, второй носитель должен будет совершить испытательный полет к концу четвертого года. Эксплуатационные полеты должны были начаться в начале пятого года, и продолжатся в течение десяти лет.
Главной целью 10-летней программы эксплуатации ракеты ROOST будет доставка 29 тысяч тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту. Надежность ускорителя будет важным фактором при определении количества полетов, необходимых для достижения этой цели, и, следовательно, частоты полетов и количества требуемых ракет ROOST. Боно и его соавторы предположили уровень надежности ракеты-носителя в 80% в первый год эксплуатации программы — то есть потерю одного из пяти запущенных носителей ROOST.
Это была амбициозная цель. На момент подготовки отчета инженерами Douglas, американские носители обычно имели гораздо более высокий уровень отказов. Например, ракета Atlas, совершила 12 полетов с семью отказами, что составило всего 41,8% надежности. Однако инженеры компании Douglas отметили, что носитель Atlas является двухступенчатой ракетой, и что пять из ее отказов были связаны с ее второй ступенью. Они утверждали, что их одноступенчатый носитель будет защищен от многих возможных отказов, включая отказ зажигания второй ступени.
На второй год программы эксплуатации ROOST надежность носителя, по замыслу авторов, должна была увеличится до 90%, каковой она и останется на протяжении всей программы. При этом частота запусков увеличится до 12 в год. На третий год эксплуатации программа ROOST достигнет максимальной частоты запусков в 24 полета в год. Программе ROOST потребуется в общей сложности 199 полетов.
Принимая во внимание потери и показатели запусков, а также общее количество необходимых полетов ракет ROOST, Боно и его соавторы подсчитали, что для выполнения всей программы потребуется в общей сложности 27 носителей ROOST. Каждая ракета должна была стоить 39,1 миллиона долларов, а общая стоимость всех носителей составила бы 1,056 миллиарда долларов. Стоимость всей 14-летней программы ROOST оценивалась в 2,989 миллиарда долларов.
Несмотря на новизну, программа ракеты-носителя ROOST не получила особой поддержки. Отчасти это произошло потому, что Боно и его соавторы, по-видимому, не уделили много времени ее продвижению. В течение следующего года Филип Боно перешел к проекту другой, многоразовой, одноступенчатой ракеты-носителя. Его система многоразового орбитального модуля (ускорителя и челнока) - ROMBUS включала в себя многие системы, которые Боно будет продвигать на протяжении всей своей оставшейся карьеры.
Филип Боно оставался в компании Douglas (которая стала называться McDonnell Douglas после ее слияния с McDonnell Aircraft Corporation в 1967 году) до своего выхода на пенсию в 1988 году. Его не стало в 1993 году, незадолго до того, как компания провела серию испытаний с использованием небольшого прототипа многоразовых одноступенчатых орбитальных аппаратов Delta Clipper.
Спасибо за внимание!